JP2711794B2 - 半導体素子の電極パターン構造 - Google Patents

半導体素子の電極パターン構造

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JP2711794B2 JP5171074A JP17107493A JP2711794B2 JP 2711794 B2 JP2711794 B2 JP 2711794B2 JP 5171074 A JP5171074 A JP 5171074A JP 17107493 A JP17107493 A JP 17107493A JP 2711794 B2 JP2711794 B2 JP 2711794B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は主として自己消弧型電力
用半導体素子の分野に関し、特に静電誘導サイリスタ、
静電誘導トランジスタ、ゲートターンオフサイリスタに
おけるゲート電極側主電極パターンに特徴を有し、スイ
ッチング動作において発生する損失を低減化し、遮断電
力能力を向上させる半導体素子の電極パターン構造に関
する。
【0002】
【従来の技術】従来の電力用半導体素子の電極パターン
構造としては、図7に示す放射パターンが一般的であ
る。しかるに、放射状パターンにおいては、円の中心に
向かい主電極単位セグメント1を配置するので同一円周
上の主電極単位セグメント間の距離は内周側の距離L
0 よりも外周側の距離Lの方が長く必要となる。そのた
め特に円の中央側で主電極単位セグメントを配置する
のに余分なゲート電極面積を必要となり、ウエーハ全体
として面積利用効率が悪くなっている。主電極単位セグ
メントの主電極の面積利用効率が低いと主電極単位
グメント毎に高負荷の電流が流れることがある。その
結果、オン電圧が上昇し、サージ電流耐量も低くなる。
更に、主電極単位セグメント毎の遮断電流密度が大き
くなり、可制御電流耐量制限されることになる。また素
子の発熱時において熱抵抗が高いため、放熱に必要な低
熱抵抗化を図ることが難しく、ターンオフ性能が劣って
いる。
【0003】更に図7の放射状パターンにおいては、同
一円周上にある主電極単位セグメント間距離はL0
Lであり、また、このパターンを拡張した場合、他の円
周上に至ると、更にこの間隔は一定化していない。従っ
て、特に埋込みゲート構造を有する静電誘導型半導体素
子の製造においては、主電極単位セグメント間距離が
均等でないためにエッチング精度が低下する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は静電誘
導サイリスタ、ゲートターンオフサイリスタ等のスイッ
チング動作において発生する損失を低減化し、かつ遮断
電流能力を向上させる半導体素子の電極パターン構造を
提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、静電誘導サイ
リスタ、ゲートターンオフサイリスタ等のカソード電極
構造において、上主電極側における多数の主電極単位セ
グメントの有効面積を効率良くとることができること、
及び上主電極側のゲート掘出しエッチングが精度良く進
行するように主電極単位セグメント配置を改善するこ
とにより、スイッチング損失を低減化し、かつ高周波ス
イッチング動作における電流遮断能力を向上させる半導
体素子の電極パターン構造に特徴を有する。従って、本
発明の構成は以下に示す通りである。即ち、半導体単結
晶の六結晶方位を基準とした各方位に主電極単位セグメ
ントの方向をそろえて配置し、基本パターンを60°ず
つ6回、回転配置し、かつV字形状に各レーンを複数層
重なり配置し、回転中央或いはパターン外周部におい
て、ゲート電極の外部引き出し用電極を有し、前記主電
極単位セグメント間に前記ゲート電極を配置する半導体
素子の電極パターン構造において、 前記主電極単位セグ
メント間距離mはウエーハ全体にわたり均等に配置さ
れ、 前記主電極単位セグント間の前記ゲート電極は1/
6分割毎に一定方向に配置されて、前記回転中央或いは
前記パターン外周部の前記外部引き出し用電極に至る径
路が直線的な径路を通ることを特徴とする半導体素子の
電極パターン構造としての構成を有する。
【0006】或いはまた、前記主電極単位セグメントの
長手方向の長さkは、前記回転中央及び前記パターン外
周部において段階的にそれぞれ前記回転中央及び前記パ
ターン外周部の円弧に沿って調整して形成され、前記ウ
エーハ全面にわたって均一に前記主電極単位セグメント
が配置されたことを特徴とする半導体素子の電極パター
ン構造としての構成を有する。
【0007】或いはまた、前記半導体素子は埋込みゲー
ト型静電誘導サイリスタであることを特徴とする半導体
素子の電極パターン構造としての構成を有する。
【0008】或いはまた、前記半導体素子はゲートター
ンオフサイリスタであることを特徴とする半導体素子の
電極パターン構造としての構成を有する。
【0009】
【作用】図1は本発明の半導体素子の電極パターン構造
の模式図(1/6分割部分)を示す。本発明の半導体素
子の電極パターン構造においては、主電極単位セグメン
ト1の間の距離mが均等に配置されており、ゲート溝堀
りエッチングにおいて、等しく均一にエッチャントが供
給される。同一面積に供給される活性なエッチャントは
均一なエッチング領域が連続する程、均等に作用する。
本発明の半導体素子の電極パターン構造においては、
電極単位セグメント間距離は、パターンを大きく拡
張した大口径ウエーハ上に配置する場合においても均等
にとれるため、均一エッチングが可能となる。
【0010】
【実施例】Si単結晶の六方位を基準に主電極単位セグ
メントの長手方向を図2,図3に示すように配置し
た。即ち、図2は本発明の半導体素子の電極パターン構
造においてウエーハの1/6分割分における主電極単位
セグメントを多数同一方向に配列した様子を示してい
る。図3は本発明の半導体素子の電極パターン構造のウ
エーハ全体の様子を模式的に示している。図2,3にお
いて、*0,*1,10,11,20,21,30,3
1,40,41,50,51,60,61等はウエーハ
上における対称な電極パターンの番地を示すラベルを示
している。更に図4は実際に直径約40mmφの埋込み
ゲート型静電誘導サイリスタに適用した場合の表面チッ
プ写真である。同一ペレット径(直径35mm)におい
て、放射状パターンに比べて、非掘り出し部分、即ち、
主電極面積が増加している点に特徴を有する。また図2
乃至図4に示すように、主電極単位セグメント間距離
が均等であるため、ゲート溝堀りエッチングの精度が
上昇する配置パターンとなっている。即ち、等しく均一
にエッチャントが供給されるため、同一面積に供給され
る活性なエッチャントは均一なエッチング領域が連続す
る程均等に作用するからである。また上記実施例では、
主電極単位セグメント間のゲート電極が1/6分割毎
に一定方向に配置されており、ウエーハ中央部及び周辺
部のゲート引き出し電極に至る距離が直線的な径路を通
ることから、ゲート電流の引き出し効率が良い。
【0011】 一般に、ゲート掘り出しエッチング精度と
可制御耐量との関係を論じた文献は多数存在している。
例えば、高橋らによる、“2.5kV2000A逆導通
型GTOサイリスタ”と題する電気学会電子デバイス・
半導体電力変換合同研究会,EDD−86−5,pp.
51−60,1986がある。GTOにおいてゲートエ
ッチングに伴なうゲートインピーダンスのばらつきを減
少させることによって2000Aの可制御を達成してい
る。
【0012】 本発明の実施例においては埋込みゲート型
静電誘導サイリスタのゲート溝堀りエッチングには、本
発明者らによって考案されたエッチング装置を使用し
た。即ち、「エッチング装置」実公平2−9548号公
報、「エッチング装置」実公平1−43863号公報、
「エッチング装置」実公昭63−36046号公報に開
示されたエッチング装置である。
【0013】 本発明の実施例においては、直径35mm
φにおいて放射型パターンに比べて非掘り出し部、即
ち、主電極面積が3.5/2.8=1.25倍に上昇
し、15μm〜25μmのゲートの溝堀りエッチングに
おける精度は、従来の放射状パターンにおける約2.4
μmのばらつきが0.23μm程度と抑制され向上して
いる。
【0014】 図5は従来の放射状パターンと本発明の実
施例における半導体素子の電極パターン構造のエッチン
グばらつきを比較したものである。15μm乃至25μ
mのゲート溝堀りエッチングの目標値に対して、従来の
放射状パターンでは2μm〜3μmのばらつきが存在す
るのに対して、本発明においては0.5μm以下となっ
ている。
【0015】 直径約40mmφの埋込みゲート型静電誘
導サイリスタを本発明による半導体素子の電極パターン
構造を用いて試作した結果によると、従来の放射状パタ
ーンに比べて熱抵抗が約75%に減少し、放熱効率が向
上した。また、上述の如く主電極単位セグメント加工精
度が向上したことと主電極単位セグメント毎の電流密度
が下がったため、可制御電流耐量が930A/622.
5A≒1.5倍に向上した。図6は従来型放射状パター
ンを用いた場合と、本発明の半導体素子の電極パターン
構造を用いた場合の埋込みゲート型静電誘導サイリスタ
における可制御電流を比較したものである。複数のサン
プルにおいていずれも本発明の電極パターン構造の方が
可制御耐量が向上していることがわかる。測定条件はV
D =1250V,IT =300A,Tj =125℃繰り
返し周波数7kHzである。更に同一条件において、ス
イッチング損失を評価した結果、オン電圧VTMはともに
3.5V、ターンオフ損失EOFF =130(mJ/パル
ス)であるのに対して、ターンオン損失EONは従来型放
射状パターンでは100(mJ/パルス)に対して本発
明の半導体素子の電極パターン構造では60(mJ/パ
ルス)となり、ターンオン損失が40%低減され、全体
として素子損失が低減できた。
【0016】 このことから、高周波動作領域が拡大し、
使用電流範囲の拡大を図ることが可能となった。ターン
オンスイッチング時間の比較を表1に示す。スイッチン
グ時間については、ターンオンライズタイム(tr )が
3割低減化され、またターンオンディレイタイム
(td )も同じく3割低減化できた。これは、大口径
化、多セグメント配置により、ターンオンディレイタイ
ムtd が増大する現象を抑制できることとなる。つま
り、大口径化にも大きく寄与するものである。
【0017】
【表1】
【0018】本発明の実施例による電極パターン構造
は、この基本パターンのままで大口径化が可能であるこ
とは明らかである。他の静電誘導型デバイス或いはGT
Oサイリスタ等にも適用可能である。
【0019】
【発明の効果】本発明の半導体素子の電極パターン構造
によれば、ゲート溝堀りエッチング精度が向上し、主電
単位セグメント毎の電流密度が下がったため、可制御
電流耐量が向上するという効果がある。またターンオン
損失が改善され、全体として素子損失の低減化が図れる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体素子の電極パターン構造の模式
図(1/6分割部分)
【図2】本発明の半導体素子の電極パターン構造の模式
図であって、多層に各レーンが形成された構造例(模式
図)
【図3】ウエーハ全体における本発明の半導体素子の電
極パターン構造例
【図4】試作された2500V−300A級埋込みゲー
ト型静電誘導サイリスタ(直径40mmφ)の表面チッ
プ写真
【図5】本発明の半導体素子の電極パターン構造と従来
型放射状パターンとのエッチングばらつきの比較図
【図6】本発明の半導体素子の電極パターン構造と従来
型放射状パターンとの可制御電流の比較図
【図7】従来の放射状パターンの模式的構造例(一部)
【符号の説明】
主電極単位セグメント0 ,L,m 主電極単位セグメント間距離k 主電極単位セグメントの長手方向の長さ θ 角度 *0,*1,10,11,20,21,30,31,4
0,41,50,51,60,61 対称な電極パター
ンのラベル

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体単結晶の六結晶方位を基準とした
    各方位に主電極単位セグメントの方向をそろえて配置
    し、基本パターンを60°ずつ6回、回転配置し、かつ
    V字形状に各レーンを複数層重なり配置し、回転中央或
    いはパターン外周部において、ゲート電極の外部引き出
    し用電極を有し、前記主電極単位セグメント間に前記
    ート電極を配置する半導体素子の電極パターン構造にお
    いて、 前記主電極単位セグメント間距離mはウエーハ全体にわ
    たり均等に配置され、 前記主電極単位セグント間の前記ゲート電極は、1/6
    分割毎に一定方向に配置されて、前記回転中央或いは前
    記パターン外周部の前記外部引き出し用電極に至る径路
    が直線的な径路を通る ことを特徴とする半導体素子の電
    極パターン構造。
  2. 【請求項2】 前記主電極単位セグメントの長手方向の
    長さkは、前記回転中央及び前記パターン外周部におい
    て段階的にそれぞれ前記回転中央及び前記パターン外周
    部の円弧に沿って調整して形成され、前記ウエーハ全面
    にわたって均一に前記主電極単位セグメントが配置され
    たことを特徴とする請求項1記載の半導体素子の電極パ
    ターン構造。
  3. 【請求項3】 前記半導体素子は埋込みゲート型静電誘
    導サイリスタであることを特徴とする請求項1記載の半
    導体素子の電極パターン構造。
  4. 【請求項4】 前記半導体素子はゲートターンオフサイ
    リスタであることを特徴とする請求項1記載の半導体素
    子の電極パターン構造。
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JP2822614B2 (ja) * 1990-06-12 1998-11-11 株式会社明電舎 ゲートターンオフサイリスタ

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